NN31545.0358 *•
CULTUURTECHNIEK EN WATERHUISHOUDING
X
NOTA 358, d. d. 7 oktober 1966
Enige beschouwingen omtrent het gedrag
van de begroeiing op het peilverloop in
de Veengoot en Baakse Beek
i r . J. Bon
BIBLIOTHEEK
STARINGGEBOUW
Nota's van het Instituut zijn in principe interne
communicatiemid-delen, dus geen officiële publikaties.
Hun inhoud v a r i e e r t sterk en kan zowel betrekking hebben op een
eenvoudige weergave van cijferreeksen, als op een concluderende
d i s c u s s i e van onderzoeksresultaten. In de m e e s t e gevallen zullen
de conclusies echter van voorlopige aard zijn omdat het
onder-zoek nog niet i s afgesloten.
Aan gebruikers buiten het Instituut wordt verzocht ze niet in
pu-blikaties te vermelden.
Bepaalde nota's komen niet voor verspreiding buiten het Instituut
in aanmerking.
1
-Inleiding
Algemeen wordt aangenomen dat de begroeiing in leidingen aanleiding geeft tot peilverhoging. De begroeiing veroorzaakt extra stromingsweerstan-den waardoor de reeds aanwezige stromingsweerstand wordt vergroot. De tota-le weerstand wordt veelal weergegeven door één enketota-le rekengrootheid.. In Nederland wordt in de meeste gevallen de stromingsformule van Manning ge-bruikt waarin de factor K de wandruwheidsfactor voorstelt.
De formule luidt: V = K R2 / 3 S1 / 2 of Q - K F R2 / 3 S1 / 2. Het blijkt in
m m de praktijk dat de factor K van de andere factoren afhangt. In het navolgen-de zal gepoogd wornavolgen-den navolgen-de onnavolgen-derlinge verbannavolgen-den tussen navolgen-de factoren uiteen te zetten aan de hand van meetgegevens.
Deze gegevens werden verzameld gedurende het tijdvak van 30 juni tot 10 augustus 1966 door de heren GÜNTHER en VAN NIEUWKOOP, twee leerlingen van de Hogere Bosbouw en Cultuurtechnische school als onderdeel van een hun ver-strekte studieopdracht.
Vroegere onderzoekingen
Door vele auteurs is het moeilijke probleem van de wandruwheidscoëffi-ciënt onderzocht en een groot aantal formules is ontwikkeld om de juiste be-nadering van de stroming door een leiding te realiseren. Juist de invloed van de begroeiing leverde een van de grootste struikelblokken op. Dat deze invloed van groot belang is voor de ontwerptechniek mag bekend worden veron-dersteld. De beken worden namelijk berekend op een te verwachten toelaatba-re afvoer, bij een aangenomen verhang, een aangenomen hoogwaterlijn en bij een bepaalde wandruwheidscoëfficiënt. Wanneer deze coëfficiënt niet goed is gekozen, of in de praktijk anders uitvalt dan de verwachting was, kunnen de beken of te groot, doch meestal te klein worden berekend, met alle gevolgen die daarmee gepaard gaan.
FLACH en PIETERS (1964 en 1965) hebben in Drente en in de Noord-Oost-Polder onderzoekingen verricht naar het gedrag van de begroeiing op het peil en op de K -factor in schone, begroeide en gemaaide leidingen. SCHENK (1965) en GILS (1966) trachtten uit de veronderstelde opstuwing door de begroeiing de afvoer te bepalen. BON (1965) wees reeds op het verschijnsel dat zich in het Lunterse beekgebied voordeed, dat de lage K -waarde in een vervuilde bee: sterk kan toenemen na een hoge afvoergolf. Als oorzaak hiervan wordt het
2
-platdrukken van de begroeiing door de hoge afvoersnelheid gezien. COLENBRAN-DER (1966) onderzocht de begroeiingsinvloed door de peilverhoudingen boven en beneden een meetstuw na te gaan en deze tegen het benedenpeil in een
grafiek uit te zetten. Bij dit onderzoek werd ook gevonden dat na hoge af-voergolven de beek als het ware werd opgeschoond.
Alle onderzoekers trachten op hun eigen wijze de achtergronden te ach-terhalen van het feit dat het beekpeil (of de afvoer) op de begroeiing rea-geert en omgekeerd. De aard van de begroeiing blijkt hierbij van invloed te zijn.
De reden van het onderzoek
Door eerder onderzoek in enkele beken van het stroomgebied van de Lun-terse beek was gebleken dat de K -factor voor een bepaalde beek en een be-paalde begroeiing niet constant was. In de steeds vrij schone Overwoudse beek werd geconstateerd dat de K -waarde onder andere vrij sterk gecorre-leerd was met de stroomsnelheid V en de hydraulische straal R. Voor begroei-de leidingen bleek daarentegen slechts begroei-de eerste correlatie te bestaan, maar niet de tweede. Voor het ontwerpen van leidingen zal men dus zo nauwkeurig mogelijk moeten taxeren welke K -factor er bij de maatgevende afvoer op zal treden, om de hoogwaterlijn en de mogelijk optredende opstuwing door de be-groeiing te bepalen. Om de taxatie met zekere nauwkeurigheid uit te voeren
zal men het gedrag van de begroeiing bij verschillende afvoeren moeten ken-nen.
Zoals reeds eerder is vermeld, bleek dat een afvoergolf de begroeiing platdrukt waardoor bij kleinere waterdiepten en grotere stroomsnelheden, ho-gere K -waarden werden gevonden, dan bij de begroeide toestand met een klei-nere stroomsnelheid en grotere waterdiepte even voor de afvoergolf.
Om de gedragingen van de begroeiing in de beken en hun invloed op het peil na te gaan, zijn met vrij regelmatige tussenpozen door GÜNTHER en VAN NIEUWKOOP metingen verricht, betreffende de afvoer, het verhang over 1+0 m, de waterdiepte en de dwarsprofielen. De begroeiingsgraad werd beschreven en getaxeerd. Door de betrekkelijk korte duur van de metingen, die slechts drie weken hebben geduurd, zijn punten naar voren gekomen die een nader
en uitgebreider onderzoek wenselijk maken.
3
-Verwerkte gegevens
Om de opstuwing door de begroeiing te kumai nagaan werden de nieuwe meetgegevensbetreffende de waterhoogte en de afvoer van vier meetpunten van de Veengoot en êén meetpunt van de Baakse beek op dubbel log-papier uitgezet waarop tevens al de eerder vermelde gegevem zijn aangegeven.
In figuur 1 zijn de laatste meetgegevens van het meetpunt V. aan de be-neden loop van de Veengoot van juli en augustus 1966 met kruisjes aangegeven. De beekbodem is 5 m breed en begroeid met liesgras dat half juni werd
ge-maaid. In de grafiek is door de onderste punten een lijn getrokken die het verband weergeeft tussen de afvoer en de waterhoogte in de schoonste toe-stand. Het blijkt nu dat ten tijde van de laatste metingen, de waterdiepte ten opzichte van de schone toestand is verhoogd. Indien men echter de punten naar volgorde van datum bekijkt, blijkt de opstuwing sterk te variëren.
De eerste meting op 30/6 had een peilverhoging van 18 cm, de 2e en 3e meting op U/7 en 8/7 gaven bij een lagere afvoer peilverhogingen aan van 16 en 17»5 cm. De veronderstelling is, dat door deze geringe afvoer bij een lagere waterdiepte het water tussen het liesgras is weggestroomd en de be-groeiing gedeeltelijk in elkaar is gezakt. De Ue meting op 11/7 bij een ho-gere afvoer gaf door het zich strekken van de begroeiing een peilverhoging van 23 cm te zien. Op 20/7 passeerde een hoge afvoergolf en op 25/7 verd de 6e meting verricht. De peilverhoging was toen 16 cm. Op 27/7 liep de verho-ging terug tot 11 cm, om daarna weer te stijgen tot 22 cm bij de laatste me-ting op 9/8.
Geconstateerd werd dat het liesgras door de hoge afvoer werd platge-drukt en gedeeltelijk is vergaan en afgerukt. Na enkele dagen veerde het lies-gras weer op en nam de peilverhoging weer toe.
In figuur 2 is het verloop van de waterdiepte op hetzelfde meetpunt met een streeplijn aangegeven. Tevens zijn in de figuur de K -waarden van iedere meting aangegeven en zijn de punten met rechte lijnen verbonden. In deze fi-guur is nu duidelijk te zien dat na een hoge afvoergolf de K -waarde hoog
m oploopt door de verruiming van het vrije doorstromingsprofiel. Wanneer het liesgras zich na enkele dagen weer opricht wordt de vrije doorstroming in het profiel verkleind. De stromingsweerstand neemt weer toe en de K -waarde neen-*- -f,
m Het meetpunt V1 in de bovenloop van de Veengoot geeft een heel ander
Q - h verband aan zoals bl^ct uit figuur 3. De bodem is ongeveer 1,20 m
- il _
wat breed en de leiding is schoon. Plaatselijk komt tijdelijk waterpest voor en van de taluds hangt wat gras af in de ondiepe leiding. De peilverhoging ten opzichte van de oudere gegevens bedroeg constant ongeveer k2 cm. Deze peil-verhoging werd hier veroorzaakt door de aanzanding. De K -waarden in figuur
k bleven vrij constant even onder de 20. De eerste drie metingen gaven wel een kleine spreiding in de K -waarde, doch dit kan veroorzaakt zijn door fouten in de metingen.
Voor het meetpunt V? werd eenzelfde bewerking uitgevoerd (fig. 5). Hier
is door de werkzaamheden voor de aanleg van de aardgasleiding verzanding op-getreden. Doordat bij de laatste metingen van het profiel een andere plaats is gekozen dan voorheen, was het niet mogelijk om uit de Q - h lijnen een
opstuwing door begroeiing of verzanding vast te stellen.
Op de laatste aeetplaats was de bodem slechts door wat algen begroeid en hinggras van de taluds in het water. Het dwarsprofiel was door het graaf-werk onregelmatig en tijdens de hoge afvoergolf waren sterke afschuivingen opgetreden op de plaats van de aardgasleiding. Het dwarsprofiel werd er door vernauwd wat aanleiding tot opstuwing gaf. Dit is waarschijnlijk de reden dat de K -waarden na de afvoergolf lager bleven dan verwacht werd. In m o o deze figuur werd tussen de 1e en 2e meting de beek opgeschoond, hetgeen tot gevolg had dat het peil bij de 2e meting ïk cm lager lag en de K -waarde van 16 tot 2k steeg.
Van het meetpunt V- in de middenloop van de Veengoot kon geen peilver-hoging worden bepaald doordat het vaste meetpunt van de oude gegevens aan een houten brug was bevestigd, welke is bezweken en inmiddels afgebroken.
Het dwarsprofiel was h m breed en zeer onregelmatig door de aanwezig-heid van diepe geulen en kuilen. Ook de taluds waren zeer sterk door
af-schuivingen aangetast. De begroeiing was licht en bestond uit wat waterpest, waterranonkel en liesgras. Door de hoge afvoergolf van 20/7 werd de be-groeiing grotendeels losgerukt en afgevoerd. Uit figuur 6 waarin de water-diepte en de K -waarde zijn aangegeven, blijkt dat ook hier na de afvoergolf en de verminderde stromingsweerstand, als gevolg van het afrukken en plat-drukken van de begroeiing, de K -waarde toeneemt.
Voor het meetpunt B, , aan de benedenloop van de Baakse beek, geeft fi-guur 7 een soort dergelijk beeld als fifi-guur 6. De K -waarde gaat echter na de afvoergolf snel omhoog en bleef minstens 9 dagen op een vrijwel constant niveau, om pas daarna langzaam te dalen. De begroeiing op deze 6 m brede
5
-boden bestond voornamelijk uit pionpen. Door de sterke stroon en het zand-transport werd het "blad spoedig vernield. De beschadigde stengels rotten ge-deeltelijk weg waardoor het vrije doorstromingsprofiel werd verruimd. Pas als het peil verder zakt, daalt ook de K -waarde door de ongunstiger worden-de verhouding tussen worden-de breedte-waterdiepte en begroeiingshoogte.
Figuur 8 geeft aan dat in de week van 6/7 tot 12/7 de begroeiing aan-zienlijk moet zijn toegenomen omdat de opstuwing van 26 tot 1+3,5 cm is ge-stegen. Dit ondanks een hoger peil en een hogere afvoer. Na de hoge afvoer-golf werd een opstuwing van 19 cm gemeten. Deze daalde nog verder tot 8,5 cm bij de laatste meting. De reden hiervan moet gezocht worden in het afster-ven van de begroeiing.
De aard van de begroeiing
Het verschil in de begroeiing komt in de mate en de duur van de opstu-wing, vooral na een afvoergolf bij de waargenomen voorbeelden sterk tot ui-ting.
Liesgras groeit vrij snel en handhaaft zich langer dan waterpest en plompen. Het blijft in het najaar langer in leven en groeit in het voorjaar
snel aan. In zachte winters kan het blijvend aanwezig zijn.
Na een afvoergolf is het liesgras wel platgedrukt en weinig beschadigd en veert na enkele dagen weer op in tegenstelling tot de plompen begroeiing. De plompen worden na een hoge afvoergolf blijkbaar zodanig beschadigd en aan-getast, dat het vrij lang duurt voor de stuwende invloed weer merkbaar wordt.
Slootbegroeiingen met riet en lissen zijn door hun afwezigheid in het onderzoekgebied niet bestudeerd. Over het algemeen komen deze plantensoorten in langzaam stromend water voor en deze omstandigheid wordt op de hellende zandgebieden weinig aangetroffen.
Correlaties tussen enkele factoren
In de formule van Manning komen verschillende factoren voor die elkaar wederkerig kunnen beïnvloeden. De mogelijke correlaties tussen enkele facto-ren zijn nog nader bekeken zoals:
6
-a) Het verband tussen de K -waarde en de stroomsnelheid V m
In figuur 9 is de samenhang tussen de K -waarde en de stroomsnelheid van de vijf besproken meetpunten gegeven. De punten van ieder meetpunt blij-ken zich redelijk om gebogen lijnen te groeperen. Elk van de lijnen ligt op een ander niveau en heeft een andere helling. Dit kan zijn veroorzaakt door het dwarsprofiel, het verhang, de soort van begroeiing, en de toestand boven en benedenstrooms van het meetpunt, zoals bochten, duikers, begroeiing, zand-banken enz.
Zo liggen bij eenzelfde stroomsnelheid de K -waarde van V? en V. het
hoogst en van V. het laagst. De K -waarden van V.. lopen slechts langzaam op. De twee hoogste K -waarden van V\ zijn waarschijnlijk te wijten aan
meetfou-m i
ten zoals reeds werd vermeld.
b) Het verband tussen de stroomsnelheid en het verhang
In i960 werd in de constant vrij schone Overwoudse beek,een zijbeek van de Lunterse beek, een redelijk verband gevonden tussen de stroomsnelheid en het verhang. Worden de meetgegevens van de Veengoot en de Baakse beek in een grafiek verwerkt (zie fig. 10) dan blijkt dit eerder gevonden verband alleen min of meer te gelden voor het schone meetpunt V... Voor al de andere punten was het verband niet te vinden of anders dan het reeds eerder vermelde.
Voor het meetpunt V, was wel een verband aanwezig, doch de lijn die door de punten loopt is in een richting tegengesteld aan die van V . Voor het meetpunt V, werd bij een hoge stroomsnelheid een kleiner verhang aange-troffen. Op de vraag wat hiervan de oorzaak zou kunnen zijn is alleen de veronderstelling mogelijk, dat de plaats en de lengte van het traject waar-over de verhangmeting werd uitgevoerd voor dit verschijnsel bepalend kon zijn.
GÜNTHER en VAU NIEUWKOOP hebben bij V, bij laag water een waterpassing gedaan om na te gaan of in het ko m lange traject, waarover het verhang ge-meten werd, geen invloed van opstuwing aanwezig was door de ongeveer 100 m benedenstrooms gelegen brug. Boven de brug bleek een opstuwing aanwezig te zijn, die zich echter niet tot het meettraject uitstrekte. De opstuwing bij laagwater werd waarschijnlijk veroorzaakt door een zandbank even boven de brug tussen de punten A en C in figuur 11. Onder de brug en bovenstrooms er-van tot punt B is door de schaduwwerking er-van de hoge boombeplanting aan de
zuidoever van de beek, bijna geen begroeiing aanwezig. Ook in de bocht
7
-strooms van het meetpunt tussen F en G is door uitschuring en afkalving van de buitenbocht een groter profiel ontstaan met weinig begroeiing. Dit komt tot uiting in de gemeten kleinere verhangen.
Om het water over de hindernis van de liesgrasbegroeiing heen naar het schone leidingstuk bij de brug te stuwen, zal het verval S, bij ge-ringe afvoer vrij groot moeten zijn, hetgeen ook gemeten is. Bij hoge af-voer en sterkere stroom ligt het liesgras bijna plat en zal het verhang over het hele traject vanaf de bocht tot de brug verminderen en de water-diepte vrijwel overal constant zijn. In figuur 11 is dit met een streep-lijn aangegeven. Het hoogwater verval over 40 m, S, is dan kleiner dan het laagwater verval S,.
Bij verhangmetingen over 40, 20 en 10 m lengte werden waarden gevon-den van respectievelijk 7»05, 6,50 en 4»70 cm/100 m. Dergelijke verschil-len zijn ook door PIETERS in de Noord-Oost-Polder gemeten. Vooral de over-gang van begroeid naar onbegroeid heeft een groter verhang dan van schoon naar begroeide gedeelten. Het verhang in het lengteprofiel van een beek is vooral bij laag peil soms sterk variërend met steilere en vlakkere overgangsstukken. Uit de gegeven voorbeelden blijkt de lengte van het meettrajeet op de bepaling van het verhang. Dit verhang heeft weer in-vloed op de K -^waarde. Wordt bij laag water over een groot traject van
100 m of meer het verhang gemeten en liggen hierin een of meerdere duikers, die door een te kleine doorlaatopening of een te hoge drempelligging op-stuwing geven, dan wordt een te grote waarde voor S bepaald. Bij deze dui-kers treedt dan een kleine bodemsprong op met een sterk verval en grotere stroomsnelheden, die uitschuringen van de bodem en taluds kunnen veroor-zaken. In de tussen liggende trajecten is het verhang klein en de stroom-snelheid geringer. De stroming is dan ook in onze beken bijna nooit een-parig.
vervuiling van de beek
Voor de meetpunten V. en B. is nagegaan hoe het verband is tussen de stroomsnelheid en de opstuwing als gevolg van de begroeiing. In figuur 12 zijn de gevonden waarden uitgezet. Het verschil in de begroeiingsaard van de twee beken komt hier wel duidelijk naar voren. Het meetpunt V. geeft een vrywel rechtlijnig verband aan tussen de stroomsnelheid en de opstuwing behalve voor de tweede en derde meting. Het verend vermogen van het lies-gras komt bij stroomsnelheden boven de 15 à 20 cm/sec duidelijk naar voren. De plompenbegroeiing van de Baakse beek vertoont voor de opstuwing een grote
8
-naijling ten aanzien van de stroomsnelheid, vooral na een afvoergolf. De pianten vertonen in volgorde van de meetdata als het ware een ellips.
Omdat op het meetpunt V1 de opstuwing door de aanzanding van de bodem
constant is kon daar geen verband tussen de stroomsnelheid en de opstuwing worden gevonden omdat deze niet afhankelijk zijn van de begroeiing.
Conclusies
1e Een aanduiding van een lichte, matige of zware begroeiing, zoals die tot heden wordt gehanteerd voor een schatting van de K -waarde, kan alleen gehanteerd worden in samenhang met de aard van de begroeiing, de dichtheid, de hoogte met de waterdiepte en met de stroomsnelheid. Voor een enkel meetpunt verandert bij gelijkblijvende begroeiing de K -waarde met toenemende afvoer.
m
2e Bij kleine stroomsnelheden geeft de begroeiing in een leiding aanlei-ding tot relatief grote opstuwingen.
3e Door een hoge afvoergolf, gepaard gaande met sterke stroomsnelheden zal de begroeiing al naar gelang haar aard meer of minder worden platgedrukt. De stromingsweerstand wordt daardoor verminderd met als gevolg een ho-gere K -waarde,
m
he Uit de thans beschikbare gegevens is niet gebleken dat ten tijde van de hoogste afvoerintensiteit ook de hoogste K -waarde wordt bereikt. Deze treedt pas enige dagen daarna op. Bij liesgras daalt âe K -waarde reeds weer na enkele dagen, bij een plompen- en waterpestbegroeiing blijft de hoge K -waarde ruim een week gehandhaafd alvorens opnieuw in waarde te dalen.
5e Tijdens hoge afvoertoppen en dus ook bij een maatgevende afvoer zal het stadium van een 'schone' beek doorgaans niet worden bereikt. Overschrij-ding van de toelaatbare hoogwaterlijn zal dan eerder plaatsvinden. 6e Het meten van het verhang in een beek, hoe nauwkeurig dat ook gebeurt,
ge 9 ge
-Literatuuroverzicht
BON, J. - Veldtaxatie voor de bepaling van de K-Manningfactor. Nota 301 i.c.w. 1965.
COLENBRANDER, H.J. - De invloed van de begroeiing op de afvoercapaciteit van een beek. Nota Commissie Waterbehoefte Gelderland 1966. GILS, H.J. - Der Abfluss in verkrauteten Gewässern (Deutsche Gewässerk.
Mitt. 1966).
FLACH, A.J. en J. PIETERS - Gegevens betreffende optredende ruwheidswaarden voor de weerstand die het water in de watergangen tengevolge van plantengroei ondervindt. Nota 231 I.C.W. 1964.
Resultaten van de wandruwheidsiaetingen in een aantal open lei-dingen van het waterschap 'De Oostermoerse Vaart'. Nota 300 i.c.w. 1965.
SCHENK, E. - Die Ermittlung eines objectiven Verkrautungs und Entkrautungs-faktors für die Flüssläufe (Deutsche Gewässerk, Mitt. 1965).
O g
I •
I I
I I
>fovafcE^tftali
Ja
W A H E N I N O E N Ifor quality of lift
